變電站用高頻開(kāi)關(guān)電源裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種變電站用高頻開(kāi)關(guān)電源裝置，采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和數(shù)字化控制技術(shù)相結(jié)合，DC／DC變換器(1)輸出端連接有電流采樣裝置(2)和電壓采樣裝置(3)，采樣裝置的輸出信號(hào)進(jìn)入控制器(4)，由控制器(4)控制驅(qū)動(dòng)器(5)，并由驅(qū)動(dòng)器(5)驅(qū)動(dòng)DC／DC變換器(1)的高頻逆變電路(7)中開(kāi)關(guān)管的通斷，經(jīng)高頻變壓器(8)和整流濾波電路(9)輸出48V、24V、5V等電壓等級(jí)供變電站用直流電，輔助電源(6)為整個(gè)裝置提供電源，控制器(4)采用DSP數(shù)字控制芯片。該裝置在變電站用電力操作電源高頻化的基礎(chǔ)上提高了轉(zhuǎn)換效率和可靠性。
【專利說(shuō)明】變電站用高頻開(kāi)關(guān)電源裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]電力操作電源又稱電力工程直流電源，主要用于各級(jí)變電站及火力、水力發(fā)電廠，作為控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷以及直流事故照明負(fù)荷等的電源，是電力系統(tǒng)控制、保護(hù)的基礎(chǔ)。本實(shí)用新型涉及一種新型的的變電站高頻開(kāi)關(guān)電力操作電源。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的變電站電力操作電源中，移相全橋ZVS變換器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、損耗小的優(yōu)勢(shì)在變電站高頻開(kāi)關(guān)電力操作電源中得到廣泛應(yīng)用。移相全橋ZVS變換器主要是利用主電路中變壓器原邊串聯(lián)的輔助電感或者變壓器原邊的漏電感和開(kāi)關(guān)管寄生輸出電容的特性實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)，控制電路采用模擬電路實(shí)現(xiàn)。但這種主電路拓?fù)涞臏蟊哿汶妷洪_(kāi)關(guān)不易實(shí)現(xiàn)，換流期間變壓器副邊產(chǎn)生占空比丟失，電路中存在較大的環(huán)流，從而在開(kāi)關(guān)管和變壓器上產(chǎn)生的損耗增加，降低了高頻開(kāi)關(guān)電源的工作效率。模擬控制方式存在溫度漂移、控制電路復(fù)雜、控制精度低的缺點(diǎn)，降低了高頻開(kāi)關(guān)電源的可靠性。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型要解決的任務(wù)是將一種新型移相全橋軟開(kāi)關(guān)變換器應(yīng)用于變電站電力操作電源中，控制電路采用數(shù)字信號(hào)處理芯片結(jié)合控制算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與數(shù)字化智能化控制技術(shù)相結(jié)合，在電源高頻化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率以及可靠性。
[0004]本實(shí)用新型通 過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn):
[0005]本實(shí)用新型是一種新型的變電站高頻開(kāi)關(guān)電力操作電源，總體結(jié)構(gòu)與連接關(guān)系如圖1所示。DC / DC變換器(I)輸出端連接有電流采樣裝置(2)和電壓采樣裝置(3)，采樣裝置的輸出信號(hào)進(jìn)入控制器⑷，由控制器⑷控制驅(qū)動(dòng)器(5)，由驅(qū)動(dòng)器(5)驅(qū)動(dòng)DC / DC變換器(I)的高頻逆變電路(7)中開(kāi)關(guān)管的通斷，經(jīng)高頻變壓器(8)和整流濾波電路(9)輸出48V、24V、5V等電壓等級(jí)供變電站用直流電，輔助電源(6)為整個(gè)裝置提供電源。
[0006]1.DC / DC變換器⑴的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由高頻逆變電路(7)，高頻變壓器(8)以及輸出整流濾波電路(9)組成，采用滯后橋臂串聯(lián)二極管的ZVZCS電路結(jié)構(gòu)，其電路拓?fù)淙鐖D2所示。
[0007]2.電流采樣裝置(2)采用霍爾電流傳感器LA58-P，它與輸出濾波電感串聯(lián)，其采樣電路如圖3。
[0008]3.電壓采樣裝置(3)采用霍爾電壓傳感器LV28-P，它并接在DC / DC變換器的最終輸出端，其采樣電路如圖4。
[0009]4.控制器(4)采用DSP數(shù)字控制芯片。
[0010]5.驅(qū)動(dòng)器(5)采用EXB841集成芯片，由其驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管IGBT的通斷，IGBT驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。
[0011]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)勢(shì):[0012]1.ZVZCS變換器不僅電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且能在任意負(fù)載和輸入范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)滯后臂的零電流開(kāi)關(guān)，主電路的軟開(kāi)關(guān)易于實(shí)現(xiàn)。
[0013]2.該電路工作時(shí)輸出有效占空比得到提高，IGBT拖尾電流的影響被消除，減小了原邊環(huán)流，提高了變換器的效率，整體性能優(yōu)良，效率在90%以上。
[0014]3.控制電路采用數(shù)字控制，消除了常規(guī)模擬控制方式存在的溫度漂移、控制精度偏低等諸多缺點(diǎn)，只需改變軟件程序就可以對(duì)控制方案進(jìn)行修改，提高了系統(tǒng)的控制靈活性，增加了設(shè)備的使用功能，使硬件結(jié)構(gòu)和器件的數(shù)目大幅度的減少，提高了系統(tǒng)的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1 一種新型的變電站高頻開(kāi)關(guān)電力操作電源結(jié)構(gòu)框圖。
[0016]圖2ZVZCS變換器主電路圖。
[0017]圖3霍爾電流傳感器電流采樣電路圖。
[0018]圖4霍爾電壓傳感器電壓采樣電路圖。
[0019]圖5驅(qū)動(dòng)器對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路圖。
[0020]圖中，(I)DC / DC變換器，(2)電流傳感器，(3)電壓傳感器，(4)控制器，(5)驅(qū)動(dòng)器，(6)輔助電源，(7)高頻逆變部分，(8)高頻變壓器，(9)整流濾波部分。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作詳細(xì)說(shuō)明。
[0022]1.總體實(shí)施方式
[0023]如圖1所示，DC / DC變換器⑴輸出端連接電流采樣裝置(2)和電壓采樣裝置
(3)，采樣裝置的輸出信號(hào)進(jìn)入控制器(4)，由控制器(4)控制驅(qū)動(dòng)器(5)，并由驅(qū)動(dòng)器(5)驅(qū)動(dòng)DC / DC變換器(I)的高頻逆變電路(7)中開(kāi)關(guān)管的通斷，經(jīng)高頻變壓器(8)和整流濾波電路(9)輸出48V、24V、5V等電壓等級(jí)供變電站用直流電，輔助電源(6)為整個(gè)裝置提供電源。
[0024]2.DC / DC變換器⑴拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇
[0025]DC / DC變換器⑴選擇的是滯后臂串聯(lián)二極管的移相全橋ZVZCS電路，如圖2所示。該電路拓?fù)涫抢米钄嚯娙菔棺儔浩髟呺娏骺焖購(gòu)?fù)位，滯后臂串聯(lián)的二極管可以阻止復(fù)位后電流反向，并且把電流箝位在零，實(shí)現(xiàn)滯后臂ZCS。這種拓?fù)淇梢栽谳^大輸入電壓及負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)滯后臂ZCS，沒(méi)有環(huán)路損耗、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于設(shè)計(jì)。
[0026]3.電流采樣原理
[0027]電流采樣裝置⑵運(yùn)用LEM公司的LA58-P霍爾電流傳感器。該電流傳感器變比為1:1000，副邊額定有效值電流為50mA，原邊電流測(cè)量范圍O?±70A。它完成對(duì)圖2中輸出濾波電感電流進(jìn)行采樣，將獲得的采樣信號(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)濾波和信號(hào)調(diào)理后送給DSP控制芯片的A / D轉(zhuǎn)換模塊。具體實(shí)施電路如圖3所示。
[0028]4.電壓采樣原理
[0029]電壓采樣運(yùn)用LEM公司的LV28-P霍爾電壓傳感器檢測(cè)電壓信號(hào)，該電壓傳感器轉(zhuǎn)換率為2500:1000，副邊額定有效電流為25mA，電壓有效測(cè)量范圍為IOV?500V。它完成對(duì)圖2中移相全橋變換器的最終輸出電壓進(jìn)行采樣，采樣得到的信號(hào)通過(guò)調(diào)理電路經(jīng)過(guò)濾波、變換處理送給DSP的A / D轉(zhuǎn)換模塊。具體實(shí)施電路圖如圖4所示。
[0030]5.DSP控制芯片的選擇
[0031]在該使用新型中，DSP控制芯片的主要作用是完成電壓電流信號(hào)的A / D轉(zhuǎn)換、PWM波形的生成與輸出，提供給開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)器。TMS320F2812DSP是TI公司一款用于控制的高性能、多功能、高性價(jià)比的32位定點(diǎn)DSP。該芯片具有片內(nèi)FLASH，適合用于數(shù)據(jù)處理繁重的測(cè)控場(chǎng)合。中央處理器處理數(shù)據(jù)采用哈佛總線結(jié)構(gòu)模式，取指令、讀數(shù)據(jù)和解數(shù)據(jù)操作可以在一個(gè)周期內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。在本實(shí)用新型中體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)的性能指標(biāo)有:
[0032](1)TMS320F2812具有150MHz的主頻，時(shí)鐘周期為6.67ns。處理器速度高，系統(tǒng)在一個(gè)單周期內(nèi)可以完成復(fù)雜的控制任務(wù)和算法。
[0033](2)采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，芯片核心電壓為1.8V，接口電壓為3.3V，功耗低。
[0034](3)具有16通道、12位的A / D接口，A / D轉(zhuǎn)換速度快，最多可達(dá)12.5MSPS的采樣帶寬，可以靈活設(shè)置采樣方式。
[0035](4)芯片擁有兩個(gè)各能產(chǎn)生8路PWM信號(hào)的EV模塊，其中6路來(lái)自EV模塊的全比較單元，2路來(lái)自通用定時(shí)器。
[0036](5)中斷資源十分豐富，并擁有56個(gè)GPIO 口，其中每個(gè)GPIO 口都是復(fù)用的，只需對(duì)其編程即可選擇其應(yīng)用于通用的數(shù)字I/O口或者片內(nèi)外設(shè)的功能引腳。
[0037]6.驅(qū)動(dòng)器的工作原理
[0038]開(kāi)關(guān)管IGBT驅(qū)動(dòng)采用EXB841驅(qū)動(dòng)集成芯片，它具有單電源供電、正負(fù)偏壓、軟關(guān)斷、過(guò)流檢測(cè)與保護(hù)等特性。如圖5所示，在6引腳處外接二極管，當(dāng)檢測(cè)到過(guò)流時(shí)，6引腳電壓上升，此時(shí)封鎖脈沖，可以快速的起到保護(hù)作用。其輸入信號(hào)來(lái)自DSP控制芯片的EV模塊產(chǎn)生的PWM信號(hào)。變換器高頻逆變電路中每個(gè)開(kāi)關(guān)管各由一片EXB841進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
[0039]7.輔助電源的實(shí)現(xiàn)
[0040]采用以UC3842為PWM控制芯片的單端反激式多路輸出開(kāi)關(guān)電源，將較高的輸入電壓降為適合于串聯(lián)線性調(diào)整型電源的較低電壓，通過(guò)線性調(diào)整型電源對(duì)反激式多路輸出開(kāi)關(guān)電源的電壓進(jìn)行調(diào)整，輸出+5V / 1.5A，提供給電源芯片TPS767D301，能夠產(chǎn)生3.3V和
1.8V兩種電壓供給DSP芯片；輸出土 15V/0.5A提供給霍爾電流和電壓傳感器。采用4路相互隔離的工頻變壓器，將交流220V電經(jīng)降壓處理，經(jīng)整流濾波以及LM317線性電壓調(diào)整，提供給IGBT所需要的4路20V驅(qū)動(dòng)器電源。
[0041]附錄:
[0042]移相全橋ZVZCS變換器數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn):
[0043]1.變換器小信號(hào)模型傳遞函數(shù)
[0044]在Buck變換器的基礎(chǔ)上建立滯后臂串聯(lián)二極管的移相全橋ZVZCS變換器的小信號(hào)模型，得出移相全橋ZVZCS變換器的小信號(hào)模型的傳遞函數(shù):
[0045]輸出電壓A(S)對(duì)控制變量有效占空比^sff(S)的傳遞函數(shù):
【權(quán)利要求】
1.變電站用高頻開(kāi)關(guān)電源裝置，其特征在于:DC/ DC變換器(I)輸出端連接有電流采樣裝置(2)和電壓采樣裝置(3)，采樣裝置的輸出信號(hào)進(jìn)入控制器(4)，由控制器(4)控制驅(qū)動(dòng)器(5)，并由驅(qū)動(dòng)器(5)驅(qū)動(dòng)DC / DC變換器⑴的高頻逆變電路(7)中開(kāi)關(guān)管的通斷，經(jīng)高頻變壓器(8)和整流濾波電路(9)輸出48V、24V、5V電壓等級(jí)的電壓供變電站用直流電，輔助電源(6)為整個(gè)裝置提供電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻開(kāi)關(guān)電源裝置，其特征在于:所述DC/ DC變換器(I)采用的是ZVZCS拓?fù)洹?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻開(kāi)關(guān)電源裝置，其特征在于:所述電流采樣裝置(2)、電壓采樣裝置(3)采用霍爾傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻開(kāi)關(guān)電源裝置，其特征在于:所述控制器(4)采用DSP芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高頻開(kāi)關(guān)電源裝置，其特征在于:所述DC/ DC變換器(I)采用的是滯后橋臂串聯(lián)二極管的ZVZCS電路。
【文檔編號(hào)】H02M3/335GK203522540SQ201320607952
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】楊晶晶, 吳明贊, 王德貴, 王立龍, 魏蕾 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)